Die Herren von Polheim werden um 1073 erstmals erwähnt. Sie waren Ministeriale des Herzogs von Steyr. Ihre Stammburg lag in der Nähe des Ortes Pollheim bei Grieskirchen. Vermutlich war es Albero II von Polheim, der um die Mitte des 13. Jahrhunderts die Stadtburg in Wels errichtete und mit seiner Familie hierher zog. Sie sicherte die Nordwestecke der Stadt und war Teil der Stadtbefestigung. 1280 scheint die Burg erstmals urkundlich auf.

1501 erhielten die Polheimer die Reichsfreiherrenwürde. 1530 wurde das Schloss umgebaut und erweitert. Mit dem Tod von Siegmund Ludwig II Freiherr von Polheim starb 1622 der Welser Zweig der Familie aus. Die Stadtburg wurde vorerst vom bayerischen Statthalter Adam Graf Herberstorff beschlagnahmt.

Sie gelangte aber um 1627 in den Besitz des Johann Paul Spindler, der sie in einen Fideikommiss einbrachte. Sein Enkel, Johann Philipp Freiherr von Spindler, verkaufte die Burg 1695 der Stadt Wels. Diese richtete hier eine Brauerei ein, die bis in das 19. Jahrhundert bestand. Die restlichen Räumlichkeiten wurden vermietet. Zeitweise diente das Gebäude auch als Schule und Lagerhaus. Im 19. Jahrhundert wurde der Bau stark vernachlässigt. So wurde in der ehemaligen Pauluskapelle ein Hopfenmagazin eingerichtet. Heute beherbergt das Schloss eine Musikschule des Landes Oberösterreich sowie mehrere Mietwohnungen.

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